風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計

王 桔，洪 梅

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春130022)

0 引言

目前隨著人類社會生活水平越來越高，在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中，測量控制系統(tǒng)發(fā)揮著舉足輕重的作用。風(fēng)力擺自動控制系統(tǒng)便是最典型具有代表性的測量控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計要求

設(shè)計一長約60cm～70cm 的細管上端用萬向節(jié)固定在支架上，下方懸掛一組(2～4 只)直流風(fēng)機，構(gòu)成一風(fēng)力擺，如圖1 所示。風(fēng)力擺上安裝一向下的激光筆，靜止時，激光筆的下端距地面不超過20cm。控制驅(qū)動各風(fēng)機使風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運動，激光筆在地面畫出要求的軌跡。

2 設(shè)計方案

采用4 個直流風(fēng)機作為動力，四個風(fēng)機在四個方向相背而放，通過控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速及工作狀態(tài)來控制風(fēng)力擺的運動軌跡。采用以增強型80C51 為內(nèi)核的STC 系列單片機STC89C52，控制兩個LM298 芯片從而達到采用芯片L298 驅(qū)動風(fēng)機，用單片機控制L298 的輸入，其工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速。電路設(shè)計簡單，抗干擾能力強、可靠性好。采用雙電源供電。風(fēng)機驅(qū)動電源與控制電源分開，控制電機部分用YB1731 直流穩(wěn)壓電源提供12V 電壓，單片機控制系統(tǒng)用另一端提供5V 電壓，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足了系統(tǒng)對供電需求。如圖2 所示。

圖1 風(fēng)力擺結(jié)構(gòu)示意圖

3 電路設(shè)計

圖2 風(fēng)力擺設(shè)計框圖

3.1 單片機控制模塊

單片機最小系統(tǒng)為主要控制系統(tǒng)。單片機模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 單片機模塊子系統(tǒng)電路

3.2 風(fēng)機驅(qū)動模塊

風(fēng)機驅(qū)動模塊采用L298 芯片控制兩個風(fēng)機的啟停與風(fēng)速，風(fēng)機驅(qū)動電路圖如圖4 所示。

圖4 風(fēng)機驅(qū)動子系統(tǒng)電路

3.3 按鍵

通過按鍵控制風(fēng)機的不同轉(zhuǎn)速與啟停時間，按鍵電路圖如圖5 所示。

3.4 液晶顯示模塊

按鍵功能通過單片機處理使相應(yīng)功能數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示出來，液晶顯示電路圖如圖6 所示。

3.5 電源模塊

電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供±5V 或者±12V 電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。

圖5 按鍵電路

4 系統(tǒng)理論分析與計算

4.1 風(fēng)力擺運動的分析

風(fēng)力擺采用4 個直流風(fēng)機作為動力系統(tǒng)。當(dāng)一側(cè)直流風(fēng)機工作時，由于風(fēng)力的作用使風(fēng)力擺擺動一定的角度，單片機調(diào)節(jié)輸出PWM 的占空比，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機的擺動角度的大小。

4.2 卡爾曼濾波算法

5 系統(tǒng)程序流程設(shè)計

本系統(tǒng)采用4 個獨立按鍵輸入各參數(shù)及測試模式，系統(tǒng)上電運行第一個基本要求，使風(fēng)力擺左右擺動，然后通過按不同的按鍵控制不同的風(fēng)速達到其他基本要求，系統(tǒng)程序流程圖如圖7 所示。

圖6 液晶顯示模塊

圖7 程序流程圖

6 測試方法與結(jié)果

6.1 軟件與硬件測試方案

硬件測試時，每級分開，單獨測試，然后連接測試看是否達到要求。軟件仿真測試時，看能否控制風(fēng)機，然后風(fēng)機電路和連接在一起測試看電機是否正常工作。

6.2 測試條件與測試儀器

測試條件:檢查多次和硬件電路和仿真電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器:直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表

6.3 測試結(jié)果及分析

要求1:15s 內(nèi)使激光筆在地面穩(wěn)定地畫出一條長度不短于50cm 的直線段。各測試結(jié)果如表1 所示。

表1 測試結(jié)果

要求2:15s 內(nèi)使激光筆在地面穩(wěn)定地畫出一條長度可設(shè)定(30 ～60cm)的直線段。各測試結(jié)果如表2所示。

表2 表測試結(jié)果

經(jīng)過測得的數(shù)據(jù)顯示風(fēng)力擺拉起一定角度后，如果不提供動力，擺桿將逐漸衰減，但是速度緩慢，因此需要提供與運動方向相反的力，阻礙擺桿運動。

7 結(jié)語

本設(shè)計采用STC89C52 芯片為控制核心，兩個L298 電機驅(qū)動模塊控制直流風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，四個直流風(fēng)機控制擺動的四個方向，四個直流風(fēng)機同一時刻的不同轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了風(fēng)力擺在只受直流風(fēng)機為動力控制下快速起擺、畫線、恢復(fù)靜止的功能穩(wěn)定的左右擺動。基本實現(xiàn)了測控系統(tǒng)的各種要求。

［1］ 譚浩強.C 語言程序設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［2］ 李志民、張遇杰.同步電動機調(diào)速系統(tǒng)［M］//電氣自動化新技術(shù)叢書.北京:機械工業(yè)出版社，1996.

［3］ 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.2 版.北京:機械工業(yè)出版社，1992.

［4］ Leonhard，W.Controlof Electrical Drives［M］.2nd ed.Springer－Verlag，1996.

［5］ 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.4 版.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［6］ 李仁定.電機的微機控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.